Закрепление и уплотнение грунтов постоянно применяется в строительстве. При некоторых условиях замораживание грунта с использованием жидкого азота является наилучшим вариантом по сравнению с традиционными методами обработки грунта.
Преимущества для заказчика
За последние два десятилетия замораживание грунта жидким азотом (ЖА) из экзотической сферы применения газа с множеством неизвестных факторов превратилось в стандартную методику обработки неустойчивых грунтов и мест утечек.
Использование данного процесса при поддержке наших специалистов обладает большим числом достоинств:
- Монтаж установки замораживания с использованием ЖА может быть произведен очень быстро, так как на складах уже имеются большие количества специального оборудования
- Объем капиталовложений в установку замораживания с использованием ЖА составляет всего лишь небольшую часть капиталовложений, требуемых для монтажа установки замораживания с использованием рассола.
- Температура замерзшего грунта будет намного ниже, чем в случае использования установки замораживания с использованием рассола. Это увеличивает устойчивость грунта.
- Низкая температура ЖА (-196°C) позволяет произвести замораживание за 4-7 дней, что намного меньше, чем при процессе замораживания с использованием рассола, на который может уйти месяц.
- Процесс является безвредным для окружающей среды, не используются опасные вещества, вибрация, не происходит загрязнения или извлечения грунтовых вод
- Процесс выполняется автоматически
- Гибкость задания формы зоны замораживаемого грунта
- Сочетание уплотнения и статической опоры
- Нетребовательность к значениям влажности грунта (5-100%)
- Замерзший грунт является на 100% водонепроницаемым, не происходят утечки
- Твердость замороженного грунта близка к твердости бетона
- Затвердевание грунта является всего лишь временным. После отключения подачи ЖА, замерзший грунт оттает в течение нескольких недель.
.
Жидкий азот
Сжиженный азот (ЖА) получают на установках для разделения воздуха. ЖА имеет температуру -196°C, и его хранят в резервуарах с вакуумной изоляцией и объемом приблизительно 10 000 литров.
Описание процесса
Монтаж
Медные замораживающие трубы со стандартным диаметром 54 мм устанавливаются с шагом от 0,5 до 0,8 метров. С внутренней стороны устанавливаются спускные трубы диаметром от 10 до 12 мм.
Замораживание
ЖА подается в трубы через изолированные подающие трубопроводы. Затем ЖА испаряется, и при испарении 1 кг ЖА из окружающего грунта извлекается энергия приблизительно 200 кДж, при этом грунт охлаждается и замерзает.
Испарившийся холодный газообразный азот (ГА), также называемый отходящим газом, дополнительно извлекает из грунта приблизительно 100 кДж. Температура отходящего газа используется для управления электромагнитным клапаном. Это позволяет обеспечивать постоянную подачу и наиболее эффективное использование ЖА. Через некоторое время растущие замороженные зоны вокруг замораживающих труб соприкасаются, сливаются и начинают разрастаться, образую водонепроницаемую стену. Приблизительно за одну неделю данный процесс позволяет получить стену замороженного грунта диаметром приблизительно 1 метр. Данная так называемая стадия установления обычно длится от 4 до 7 дней. В это время общий расход ЖА составляет приблизительно от 1500 до 2500 литров на 1 м3 замороженного грунта. На это значение могут оказывать влияние геологические факторы (теплые источники, потоки воды и т.д.).
Поддержание замороженного состояния
На стадии поддержания замороженного состояния подача ЖА уменьшается, и объем замороженного грунта перестает увеличиваться. Для поддержания замороженного состояния 1 м3 грунта требуется 90 литров ЖА в день.
Прекращение замораживания
При прекращении подачи ЖА замороженный грунт начинает оттаивать, и полностью оттает за несколько недель.
Проектирование операций по замораживанию грунта
При проектировании выполнения операций замораживания для целей создания статической опоры и/или уплотнения необходимо учитывать много факторов.
Требуется решить две следующие задачи
- обеспечить максимальную безопасность
- минимизировать расход ЖА
Описание конкретной ситуации
В Билефельде, Германия, необходимо было проложить туннель через несколько геологических формаций. В одном месте свод туннеля частично проходил через четвертичные отложения, в которых имелся аллювиальный желоб, заполненный насыщенным заиленным мелким песком. Данная сложная зона длиной приблизительно 50 м проходилась с использованием замораживания азотом. При этом необходимо было учитывать, что туннель проходил под парком со старыми дубами. При принятии решения об использовании замораживания азотом учитывалось, что толщина расположенного выше слоя составляла всего 7 метров, и необходимо было сохранить дренажные свойства грунта.
Была выбрана крышеобразная форма зоны замороженного грунта. Наклон составлял 45°. Замораживающие трубы заходили в водонепроницаемый слой валунной глины. Для предотвращения повреждения холодом корней дубов, верхние части замораживающих труб покрывались теплоизоляцией. Это также увеличивало объем замороженного грунта и уменьшало требуемое количество жидкого азота. Для повышения безопасности было предусмотрено пять перемычек. В результате было получено пять секций длиной 10 метров каждая, что уменьшало число контуров управления. В одной секции использовалось приблизительно 24 замораживающих трубы для свода и 8 замораживающих труб для перемычки. Контроль за работой и документирование функционирования таких 32 контуров управления производились с помощью нашей специально разработанной контейнерной системы управления процессом.
По мере выполнения земляных работ установка замораживания перемещалась от одной секции к следующей, чтобы создавать защиту для прокладывания туннеля. После прохождения аллювиального желоба оборудование замораживания было демонтировано. В парке со старыми деревьями не осталось никаких следов выполнения крупномасштабных строительных работ.
1. Подача ЖА
2. Замораживающая труба
3. Теплоизоляция
4. Коллектор отходящего газа
5. Замороженный грунт
6. Уровень грунтовых вод
7. Кейпер, валунная глина
8. Поперечное сечение просвета туннеля